ترانسفورماتور راه آهن: انواع، مشخصات و کاربردها

 

مقدمه

قطارهای سریع-، تراموا، قطارهای سبک، مترو، و قطارهای معمولی همگی برای کارکرد ایمن و کارآمد به منبع تغذیه قابل اعتماد بستگی دارند. پشت این منبع تغذیه طیفی از ترانسفورماتورهای تخصصی راه آهن وجود دارد که برای تبدیل و توزیع نیروی الکتریکی برای بخش های مختلف یک سیستم برق رسانی راه آهن طراحی شده اند. در میان آنها،کششترانسفورماتورهانقش کلیدی ایفا کند. آنها در پست‌های کششی راه‌آهن و در برخی کاربردها، در قطارهای داخلی برای تبدیل نیروی الکتریکی به ولتاژ و پیکربندی مورد نیاز سیستم‌های کشش راه‌آهن استفاده می‌شوند. در این مقاله ترانسفورماتور راه آهن چیست، ترانسفورماتورهای کششی چگونه کار می کنند، انواع اصلی ترانسفورماتورهای راه آهن، مشخصات کلیدی آنها و نحوه انتخاب ترانسفورماتور مناسب برای سیستم تغذیه راه آهن را توضیح می دهیم.

 

ترانسفورماتور کششی راه آهن چیست؟

ترانسفورماتور راه آهن برای استفاده در سیستم های برق رسانی راه آهن برای تبدیل، جداسازی و توزیع نیروی الکتریکی برای قطارها و تجهیزات مرتبط طراحی شده است. یکی از انواع اصلی ترانسفورماتور کششی است که برق سیستم کشش راه آهن را تامین می کند.

یک ترانسفورماتور کششی راه‌آهن، که به عنوان ترانسفورماتور قدرت کششی نیز شناخته می‌شود، معمولاً{0} برق متناوب ولتاژ بالا را از شبکه برق یا یک شبکه منبع تغذیه راه‌آهن به ولتاژ مناسب برای سیستم کششی تبدیل می‌کند. معمولاً در پست‌های کششی راه‌آهن نصب می‌شود، جایی که برق را برای سیستم‌های راه‌آهنی یا سوم-راه‌آهن تأمین می‌کند. برخی از ترانسفورماتورهای کششی نیز برای نصب مستقیم بر روی قطارهای الکتریکی طراحی شده اند.

برخلاف ترانسفورماتورهای قدرت معمولی، یک ترانسفورماتور کششی باید تغییرات مکرر و سریع بار را کنترل کند. شتاب قطار می تواند باعث افزایش ناگهانی جریان شود، در حالی که ترمزگیری و تغییرات در عملکرد قطار می تواند تغییرات بیشتری در بار الکتریکی ایجاد کند. بنابراین، ترانسفورماتورهای کششی راه‌آهن برای عملکرد قابل اعتماد تحت بارهای دینامیکی، تنش‌های الکتریکی، ارتعاش و سایر شرایط راه‌آهن سخت طراحی شده‌اند.

برای معرفی گسترده تر در مورد ساخت و ساز ترانسفورماتور کششی و اجزای سازنده

ما را ببینیدنمای کلی ترانسفورماتور کششی.

 

3. اصل کار ترانسفورماتور راه آهن

اصل کار ترانسفورماتور راه آهن بر اساس القای الکترومغناطیسی است. در یک پست کششی، ترانسفورماتور توان ولتاژ بالا را از شبکه یا شبکه منبع تغذیه راه‌آهن به ولتاژ مناسب برای سیستم کشش راه‌آهن کاهش می‌دهد.

ورودی ولتاژ بالا-: الکتریسیته از خطوط هوایی یا سیستم‌های ریلی سوم به سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور راه‌آهن وارد می‌شود. ولتاژ ورودی بسته به سیستم راه‌آهن می‌تواند از ۱۵ کیلوولت تا ۲۵ کیلوولت متغیر باشد.

 

تبدیل ولتاژ:ورودی ولتاژ بالا به سیم پیچ اولیه انرژی می دهد و یک میدان مغناطیسی متغیر در هسته ترانسفورماتور ایجاد می کند. از طریق القای الکترومغناطیسی، این میدان مغناطیسی ولتاژ کمتری را در سیم پیچ ثانویه القا می کند، با ولتاژ تعیین شده توسط نسبت چرخش ترانسفورماتور.

 

تنظیم ولتاژ: ترانسفورماتور راه آهن ولتاژ را برای مطابقت با الزامات سیستم کشش قطار تنظیم می کند و معمولاً آن را به سطح ولتاژ پایین تری مناسب برای تجهیزات پیشران قطار کاهش می دهد.

 

تحویل برق: سپس نیروی تبدیل شده به سیستم کشش، از جمله موتورهای کششی یا سایر تجهیزات داخلی تحویل داده می شود و قطار را قادر می سازد تا کار کند.

 

حفاظت و کنترل: ترانسفورماتورهای راه آهن باید هم ولتاژ ورودی بالا و هم نیازهای بار متغیر را در حین کار قطار تحمل کنند. دستگاه های حفاظتی مانند کلیدهای مدار و سنسورها دما، ولتاژ و جریان را برای اطمینان از عملکرد ایمن و قابل اطمینان کنترل می کنند.

 

بازخورد و تنظیم: نظارت مستمر به سیستم اجازه می دهد تا به تغییرات بار و شرایط عملیاتی پاسخ دهد و به حفظ عملکرد پایدار و جلوگیری از خرابی کمک می کند.

 

4. انواع ترانسفورماتورهای راه آهن

انواع مختلفی از ترانسفورماتورهای راه آهن وجود دارد و طراحی آنها بسته به سیستم منبع تغذیه راه آهن، محل نصب و کاربرد متفاوت است. انواع اصلی عبارتند از ترانسفورماتورهای کششی ثابت، ترانسفورماتورهای کششی داخلی، ترانسفورماتورهای{1}}خودکار، و ترانسفورماتورهای کششی چند سیستم-.

 

4.1 ترانسفورماتورهای کششی ثابت

ترانسفورماتورهای کششی ثابت در پست های راه آهن در امتداد خط راه آهن نصب می شوند. آنها برق ولتاژ بالا را از شبکه یا شبکه منبع تغذیه راه‌آهن قبل از تامین برق قطار از طریق سیستم کاناری بالای سر یا ریل سوم کاهش می‌دهند.

این ترانسفورماتورها معمولاً در سیستم‌های برق‌رسانی راه‌آهن استفاده می‌شوند تا منبع تغذیه پایدار و قابل اعتمادی برای قطارهای الکتریکی فراهم کنند.

 

4.2 ترانسفورماتورهای کششی آنبرد

ترانسفورماتورهای کششی داخل هواپیما مستقیماً روی قطارهای الکتریکی یا لوکوموتیوها نصب می شوند. آنها طراحی جمع و جور و سبک وزنی دارند زیرا باید با قطار حرکت کنند و در عین حال توان بالا-سیستم کشش را مدیریت کنند.

این ترانسفورماتورها برق را از سیستم هوایی راه آهن دریافت می کنند و آن را تا ولتاژ مناسب برای کشش و تجهیزات الکتریکی قطار پایین می آورند.

 

4.3 Traction Auto-ترانسفورماتورها

ترانسفورماتورهای خودکار کششی در سیستم‌های منبع تغذیه راه‌آهن، به‌ویژه در برنامه‌های راه‌آهن با ولتاژ بالا و سریع- استفاده می‌شوند. آنها به حفظ ولتاژ مورد نیاز در طول خط راه آهن کمک می کنند و می توانند افت ولتاژ و تلفات برق را در فواصل طولانی کاهش دهند.

برخلاف ترانسفورماتورهای دو{0}سیم پیچ معمولی، یک ترانسفورماتور خودکار- از سیم پیچی مشترک برای بخشی از مدارهای اولیه و ثانویه استفاده می کند.

 

4.4 چند{1}}ترانسفورماتورهای کششی سیستم

ترانسفورماتورهای کششی چند سیستمی برای قطارهای الکتریکی که در سراسر شبکه‌های راه آهن با سیستم‌های برق‌رسانی مختلف کار می‌کنند، طراحی شده‌اند. آنها می توانند ولتاژها و فرکانس های مختلف تغذیه را در خود جای دهند و به قطارها اجازه می دهند در مناطق یا کشورهایی با استانداردهای مختلف برق راه آهن کار کنند.

 

4.5 ترانسفورماتور برای سیستم های کشش AC و DC

ترانسفورماتورهای کششی راه آهن را نیز می توان بر اساس نوع منبع تغذیه راه آهن طبقه بندی کرد.

ترانسفورماتورهای کششی AC در سیستم‌های برق‌رسانی راه‌آهن متناوب، از جمله بسیاری از شبکه‌های راه‌آهن با مسافت طولانی و سریع{1} استفاده می‌شوند. آنها ولتاژ AC ورودی را تا سطح مورد نیاز سیستم کشش قطار پایین می آورند.

سیستم‌های کشش DC معمولاً برای قطارهای مترو، تراموا و راه‌آهن‌های حومه شهر استفاده می‌شوند. در این سیستم ها، ترانسفورماتورها به طور کلی همراه با یکسو کننده ها برای تبدیل برق AC ورودی به برق DC مورد نیاز سیستم راه آهن استفاده می شوند.

انتخاب ترانسفورماتور راه آهن به سیستم برق رسانی راه آهن، ولتاژ و فرکانس، نوع نصب، الزامات قطار و شرایط عملیاتی بستگی دارد.

 

5. کاربرد ترانسفورماتورهای کششی راه آهن

ترانسفورماتورهای کششی راه‌آهن عمدتاً در سیستم‌های راه‌آهن برق‌دار استفاده می‌شوند تا توان قابل اعتمادی را برای قطارها و تجهیزات راه‌آهن مرتبط فراهم کنند. کاربرد آنها با توجه به نوع راه آهن، قطار و سیستم برق رسانی متفاوت است.

 

6. طراحی و مشخصات ترانسفورماتور کششی راه آهن

طراحی ترانسفورماتور کششی به سیستم برق رسانی راه آهن، نوع نصب، سطح ولتاژ، توان مورد نیاز و شرایط عملیاتی بستگی دارد. در مقایسه با ترانسفورماتورهای قدرت استاندارد، ترانسفورماتورهای راه آهن باید تغییرات بار مکرر، ارتعاشات مکانیکی، تنش های الکتریکی و شرایط کاری سخت را تحمل کنند.

 

6.1 هسته و سیم پیچ

هسته ترانسفورماتور یک مسیر{0}}گریز کم برای شار مغناطیسی بین سیم پیچ ها فراهم می کند. مواد هسته ای با کیفیت بالا و ساختار سفت و سخت به ترانسفورماتور کمک می کند تا عملکرد قابل اعتمادی را تحت بارهای نوسانی راه آهن حفظ کند.

سیم پیچ ها با توجه به ولتاژ و توان مورد نیاز طراحی می شوند. مواد هادی با کیفیت بالا و سیستم های عایق برای تامین استحکام مکانیکی و عایق الکتریکی مورد نیاز برای کاربردهای راه آهن استفاده می شود.

 

6.2 ولتاژ و فرکانس

مشخصات ترانسفورماتور کششی به سیستم منبع تغذیه راه آهن بستگی دارد. سطوح عرضه مشترک راه آهن عبارتند از:

• 15 کیلو ولت، 16.7 هرتز AC - در برخی از شبکه های راه آهن اروپا استفاده می شود.
• 25 کیلو ولت، AC 50/60 هرتز - به طور گسترده برای برق رسانی راه آهن استفاده می شود.
• سیستم های کششی 1.5 کیلوولت DC و 3 کیلو ولت DC - که در برخی از شبکه های راه آهن شهری و معمولی استفاده می شود.

ولتاژ خروجی با توجه به الزامات سیستم کشش و تجهیزات الکتریکی پایین دست انتخاب می شود.

 

6.3 رتبه بندی قدرت

رتبه ترانسفورماتور کششی معمولاً بر حسب kVA یا MVA مشخص می شود و به قطار، شبکه راه آهن و بار مورد انتظار بستگی دارد. برنامه‌های مختلف ممکن است به رتبه‌بندی‌های قدرت متفاوتی نیاز داشته باشند، از واحدهای کوچک‌تر برای راه‌آهن سبک و تراموا گرفته تا ترانسفورماتورهای{1} با ظرفیت بالاتر برای قطارهای سریع-و سیستم‌های راه‌آهن سنگین{3}}.

ترانسفورماتور همچنین باید به گونه ای طراحی شود که بارهای اضافه{0} کوتاه مدت و تغییرات سریع بار در طول شتاب قطار، ترمزگیری و عملکرد عادی را تحمل کند.

 

6.4 خنک کننده و ساخت و ساز

ترانسفورماتورهای کششی بسته به نیاز نصب و قدرت می توانند از روش های خنک کننده مختلفی استفاده کنند.

ترانسفورماتورهای غوطه ور در روغن{0}}از مایع عایق برای خنک کردن و عایق کاری استفاده می کنند.

ترانسفورماتورهای نوع خشک{0}}از هوا برای خنک کردن و مواد عایق جامد استفاده می‌کنند، که آنها را برای کاربردهایی که روغن ترجیح داده نمی‌شود مناسب می‌سازد.

برای کاربردهای داخلی، ترانسفورماتور باید شرایط سخت فضا و وزن را نیز برآورده کند. بسته به طراحی قطار، ترانسفورماتورها ممکن است در اتاق ماشین، زیر زمین، در مناطق پایین-یا روی پشت بام نصب شوند.

 

6.5 شیر تعویض و تنظیم ولتاژ

برای تنظیم ولتاژ ترانسفورماتور با توجه به نیازهای سیستم برق راه آهن می توان از تپ چنجر استفاده کرد. بسته به کاربرد، یک ترانسفورماتور کششی ممکن است از یک -تغییرگر شیر بار روشن (OLTC) یا یک تعویض کننده بار خاموش- استفاده کند.

یک OLTC می‌تواند ولتاژ را تنظیم کند، در حالی که ترانسفورماتور روشن است، در حالی که یک {0}تغییر بار خاموش نیاز دارد که ترانسفورماتور قبل از تغییر موقعیت شیر، قطع شود.

 

6.6 راندمان و تلفات انرژی

ترانسفورماتورهای کششی برای راندمان بالا طراحی شده اند زیرا تحت شرایط بار مکرر و متغیر کار می کنند. تلفات انرژی آنها عمدتاً شامل تلفات هسته و تلفات بار است.

• تلفات اصلی: عمدتاً ناشی از هیسترزیس و جریان های گردابی در هسته ترانسفورماتور است. این تلفات زمانی که ترانسفورماتور برق می‌گیرد، نسبتاً پایدار می‌ماند.
• تلفات بار: عمدتاً ناشی از مقاومت سیم پیچ و افزایش با مجذور جریان بار است.
• سایر ضررها: تلفات سرگردان، تلفات دی الکتریک، و توان مصرف شده توسط تجهیزات خنک کننده نیز ممکن است به کل تلفات کمک کنند.

راندمان و تلفات واقعی به طراحی ترانسفورماتور، توان نامی، مواد، روش خنک کننده و بار عملیاتی بستگی دارد. بنابراین، بازده و مقادیر تلفات ترانسفورماتور باید بر اساس الزامات خاص پروژه و استانداردهای قابل اجرا ارزیابی شود.

 

6.7 حفاظت و آزمایش

حفاظت قابل اعتماد ضروری است زیرا ترانسفورماتورهای کششی تحت بارهای الکتریکی و دینامیکی بالا کار می کنند. عملکردهای حفاظتی و نظارت معمولی عبارتند از:

• حفاظت در برابر جریان بیش از حد
• حفاظت از اضافه ولتاژ
• نظارت بر دما
• نظارت بر عایق
• حفاظت از خطای زمین

آزمایش ترانسفورماتور کششی برای تأیید عملکرد الکتریکی، استحکام عایق، عملکرد دما و قابلیت اطمینان کلی قبل از قرار گرفتن ترانسفورماتور انجام می شود.

مشخصات و درجه بندی ترانسفورماتور کششی نهایی باید با توجه به سیستم ولتاژ راه آهن، فرکانس، تقاضای توان، شرایط نصب، روش خنک کننده و استانداردهای قابل اجرا تعیین شود.

 

6.8 چالش های کلیدی طراحی

ترانسفورماتورهای کششی راه آهن باید چندین مورد را متعادل کنند، از جمله:

قدرت بالا: بارهای زیاد و با تغییر سریع را تحمل کنید.

مدیریت حرارتی: گرما را در شرایط کاری سخت از بین می برد.

استحکام مکانیکی: مقاومت در برابر لرزش و استرس مکانیکی.

فشردگی: محدودیت‌های فضا و وزن، به‌ویژه برای برنامه‌های داخل هواپیما را رعایت کنید.

قابلیت اطمینان: عملکرد پایدار را با حداقل نگهداری حفظ کنید.

 

7. چگونه یک ترانسفورماتور راه آهن را انتخاب کنیم؟

انتخاب ترانسفورماتور راه آهن مناسب به سیستم قدرت راه آهن، نیازهای بار، شرایط نصب و استانداردهای قابل اجرا بستگی دارد. قبل از ثبت سفارش، مهم است که مشخصات کلیدی زیر را تأیید کنید.

 

7.1 توان و ولتاژ نامی

ترانسفورماتور باید ظرفیت کافی برای تحمل بار مورد انتظار راه آهن، از جمله بارهای پیک و تغییر بار در حین بهره برداری را داشته باشد. توان نامی مورد نیاز و سطح ولتاژ بالا باید با توجه به سیستم منبع تغذیه راه آهن تعیین شود.

SCOTECH می تواند ترانسفورماتورهایی با توان نامی تا 100 مگاولت آمپر و ولتاژ بالای نامی تا 132 کیلو ولت، با درجه بندی های سفارشی شده با توجه به نیازهای پروژه ارائه دهد.

 

7.2 اتصال و فاز مورد نیاز

اتصال ترانسفورماتور باید با سیستم کشش راه آهن و پیکربندی منبع تغذیه آن مطابقت داشته باشد. کاربردهای مختلف راه آهن ممکن است به ترتیبات فاز و اتصالات سیم پیچ متفاوتی نیاز داشته باشد.

گزینه های اتصال موجود عبارتند از:

• YN, d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• اسکات-متصل (3 فاز/2 فاز)
• Leblanc-متصل (3 فاز/2 فاز)
• Woodbridge-متصل (3 فاز/2 فاز)

 

7.3 عایق و محیط خنک کننده

انتخاب محیط عایق و خنک کننده به محیط نصب، الزامات عملکرد و مشخصات پروژه بستگی دارد.

SCOTECH می تواند گزینه های مختلفی از جمله FR3، روغن معدنی، سیلیکون، هیدروکربن و روغن گیاهی را ارائه دهد.

همچنین می‌توان سیستم‌های خنک‌کننده را با توجه به رتبه‌بندی و کاربرد ترانسفورماتور، با رادیاتورهای فولادی گالوانیزه یا ضدزنگ- پیکربندی کرد.

 

7.4 مخزن و لوازم جانبی

مخزن و پوشش ترانسفورماتور باید استحکام مکانیکی و حفاظت کافی برای اجزای داخلی را فراهم کند. بسته به نیاز پروژه، SCOTECH مخازن و روکش‌های فولادی ملایم یا فولاد ضد زنگ-را ارائه می‌دهد.

لوازم جانبی اضافی را نیز می توان پیکربندی کرد، از جمله:

• رله بوخهولتز
• ترانسفورماتور جریان (CT)
• روشن -تغییر کننده شیر (OLTC)
• جعبه مارشال
• نشانگر دمای سیم پیچ
• سایر لوازم جانبی نظارت و حفاظت

 

7.5 امپدانس و الزامات سفارشی

امپدانس ترانسفورماتور بر تنظیم ولتاژ و عملکرد اتصال کوتاه تأثیر می‌گذارد، بنابراین باید مطابق با الزامات سیستم راه‌آهن انتخاب شود.

SCOTECH از امپدانس سفارشی پشتیبانی می کند و در صورت لزوم می تواند یک محافظ الکترواستاتیک ایجاد کند. سایر پارامترهای ترانسفورماتور نیز می توانند با توجه به مشخصات پروژه سفارشی شوند.

 

7.6 استانداردها و تست

ترانسفورماتورهای راه آهن باید بر اساس استانداردهای مورد نیاز برای پروژه و بازار خاص طراحی و آزمایش شوند. SCOTECH ترانسفورماتورها را مطابق با استانداردهای IEC، ANSI/IEEE، NEMA، CSA و سایر استانداردهای مربوطه طراحی می کند.

قبل از انتخاب ترانسفورماتور راه آهن، توان مورد نیاز، ولتاژ، فرکانس، اتصال، عایق و محیط خنک کننده، امپدانس، لوازم جانبی، شرایط نصب و استانداردهای قابل اجرا را تأیید کنید. ارائه این جزئیات به سازنده ترانسفورماتور کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که طراحی نهایی با سیستم برق راه آهن و الزامات عملیاتی مطابقت دارد.